Development and application of computational methodologies in qualitative modeling

La présente thèse s'intitule "Développent et Application des Méthodologies Computationnelles pour la Modélisation Qualitative". Elle comprend tous les différents projets que j'ai entrepris en tant que doctorante. Plutôt qu'une mise en oeuvre systématique d'un cadre défini a priori, cette thèse devrait être considérée comme une exploration des méthodes qui peuvent nous aider à déduire le plan de processus regulatoires et de signalisation. Cette exploration a été mue par des questions biologiques concrètes, plutôt que par des investigations théoriques. Bien que tous les projets aient inclus des systèmes divergents (réseaux régulateurs de gènes du cycle cellulaire, réseaux de signalisation de cellules pulmonaires) ainsi que des organismes (levure à fission, levure bourgeonnante, rat, humain), nos objectifs étaient complémentaires et cohérents. Le projet principal de la thèse est la modélisation du réseau de l'initiation de septation (SIN) du S.pombe. La cytokinèse dans la levure à fission est contrôlée par le SIN, un réseau signalant de protéines kinases qui utilise le corps à pôle-fuseau comme échafaudage. Afin de décrire le comportement qualitatif du système et prédire des comportements mutants inconnus, nous avons décidé d'adopter l'approche de la modélisation booléenne. Dans cette thèse, nous présentons la construction d'un modèle booléen étendu du SIN, comprenant la plupart des composantes et des régulateurs du SIN en tant que noeuds individuels et testable expérimentalement. Ce modèle utilise des niveaux d'activité du CDK comme noeuds de contrôle pour la simulation d'évènements du SIN à différents stades du cycle cellulaire. Ce modèle a été optimisé en utilisant des expériences d'un seul "knock-out" avec des effets phénotypiques connus comme set d'entraînement. Il a permis de prédire correctement un set d'évaluation de "knock-out" doubles. De plus, le modèle a fait des prédictions in silico qui ont été validées in vivo, permettant d'obtenir de nouvelles idées de la régulation et l'organisation hiérarchique du SIN. Un autre projet concernant le cycle cellulaire qui fait partie de cette thèse a été la construction d'un modèle qualitatif et minimal de la réciprocité des cyclines dans la S.cerevisiae. Les protéines Clb dans la levure bourgeonnante présentent une activation et une dégradation caractéristique et séquentielle durant le cycle cellulaire, qu'on appelle communément les vagues des Clbs. Cet évènement est coordonné avec la courbe d'activation inverse du Sic1, qui a un rôle inhibitoire dans le système. Pour l'identification des modèles qualitatifs minimaux qui peuvent expliquer ce phénomène, nous avons sélectionné des expériences bien définies et construit tous les modèles minimaux possibles qui, une fois simulés, reproduisent les résultats attendus. Les modèles ont été filtrés en utilisant des simulations ODE qualitatives et standardisées; seules celles qui reproduisaient le phénotype des vagues ont été gardées. L'ensemble des modèles minimaux peut être utilisé pour suggérer des relations regulatoires entre les molécules participant qui peuvent ensuite être testées expérimentalement. Enfin, durant mon doctorat, j'ai participé au SBV Improver Challenge. Le but était de déduire des réseaux spécifiques à des espèces (humain et rat) en utilisant des données de phosphoprotéines, d'expressions des gènes et des cytokines, ainsi qu'un réseau de référence, qui était mis à disposition comme donnée préalable. Notre solution pour ce concours a pris la troisième place. L'approche utilisée est expliquée en détail dans le dernier chapitre de la thèse. -- The present dissertation is entitled "Development and Application of Computational Methodologies in Qualitative Modeling". It encompasses the diverse projects that were undertaken during my time as a PhD student. Instead of a systematic implementation of a framework defined a priori, this thesis should be considered as an exploration of the methods that can help us infer the blueprint of regulatory and signaling processes. This exploration was driven by concrete biological questions, rather than theoretical investigation. Even though the projects involved divergent systems (gene regulatory networks of cell cycle, signaling networks in lung cells), as well as organisms (fission yeast, budding yeast, rat, human), our goals were complementary and coherent. The main project of the thesis is the modeling of the Septation Initiation Network (SIN) in S.pombe. Cytokinesis in fission yeast is controlled by the SIN, a protein kinase signaling network that uses the spindle pole body as scaffold. In order to describe the qualitative behavior of the system and predict unknown mutant behaviors we decided to adopt a Boolean modeling approach. In this thesis, we report the construction of an extended, Boolean model of the SIN, comprising most SIN components and regulators as individual, experimentally testable nodes. The model uses CDK activity levels as control nodes for the simulation of SIN related events in different stages of the cell cycle. The model was optimized using single knock-out experiments of known phenotypic effect as a training set, and was able to correctly predict a double knock-out test set. Moreover, the model has made in silico predictions that have been validated in vivo, providing new insights into the regulation and hierarchical organization of the SIN. Another cell cycle related project that is part of this thesis was to create a qualitative, minimal model of cyclin interplay in S.cerevisiae. CLB proteins in budding yeast present a characteristic, sequential activation and decay during the cell cycle, commonly referred to as Clb waves. This event is coordinated with the inverse activation curve of Sic1, which has an inhibitory role in the system. To generate minimal qualitative models that can explain this phenomenon, we selected well-defined experiments and constructed all possible minimal models that, when simulated, reproduce the expected results. The models were filtered using standardized qualitative ODE simulations; only the ones reproducing the wave-like phenotype were kept. The set of minimal models can be used to suggest regulatory relations among the participating molecules, which will subsequently be tested experimentally. Finally, during my PhD I participated in the SBV Improver Challenge. The goal was to infer species-specific (human and rat) networks, using phosphoprotein, gene expression and cytokine data and a reference network provided as prior knowledge. Our solution to the challenge was selected as in the final chapter of the thesis.

Generation and interconnection capacity expansion in cross-border electricity markets : the need for policy coordination

Electricity is a strategic service in modern societies. Thus, it is extremely important for governments to be able to guarantee an affordable and reliable supply, which depends to a great extent on an adequate expansion of the generation and transmission capacities. Cross- border integration of electricity markets creates new challenges for the regulators, since the evolution of the market is now influenced by the characteristics and policies of neighbouring countries. There is still no agreement on why and how regions should integrate their electricity markets. The aim of this thesis is to improve the understanding of integrated electricity markets and how their behaviour depends on the prevailing characteristics of the national markets and the policies implemented in each country. We developed a simulation model to analyse under what circumstances integration is desirable. This model is used to study three cases of interconnection between two countries. Several policies regarding interconnection expansion and operation, combined with different generation capacity adequacy mechanisms, are evaluated. The thesis is composed of three papers. The first paper presents a detailed description of the model and an analysis of the case of Colombia and Ecuador. It shows that market coupling can bring important benefits, but the relative size of the countries can lead to import dependency issues in the smaller country. The second paper compares the case of Colombia and Ecuador with the case of Great Britain and France. These countries are significantly different in terms of electricity sources, hydro- storage capacity, complementarity and demand growth. We show that complementarity is essential in order to obtain benefits from integration, while higher demand growth and hydro- storage capacity can lead to counterintuitive outcomes, thus complicating policy design. In the third paper, an extended version of the model presented in the first paper is used to analyse the case of Finland and its interconnection with Russia. Different trading arrangements are considered. We conclude that unless interconnection capacity is expanded, the current trading arrangement, where a single trader owns the transmission rights and limits the flow during peak hours, is beneficial for Finland. In case of interconnection expansion, market coupling would be preferable. We also show that the costs of maintaining a strategic reserve in Finland are justified in order to limit import dependency, while still reaping the benefits of interconnection. In general, we conclude that electricity market integration can bring benefits if the right policies are implemented. However, a large interconnection capacity is only desirable if the countries exhibit significant complementarity and trust each other. The outcomes of policies aimed at guaranteeing security of supply at a national level can be quite counterintuitive due to the interactions between neighbouring countries and their effects on interconnection and generation investments. Thus, it is important for regulators to understand these interactions and coordinate their decisions in order to take advantage of the interconnection without putting security of supply at risk. But it must be taken into account that even when integration brings benefits to the region, some market participants lose and might try to hinder the integration process. -- Dans les sociétés modernes, l'électricité est un service stratégique. Il est donc extrêmement important pour les gouvernements de pouvoir garantir la sécurité d'approvisionnement à des prix abordables. Ceci dépend en grande mesure d'une expansion adéquate des capacités de génération et de transmission. L'intégration des marchés électriques pose des nouveaux défis pour les régulateurs, puisque l'évolution du marché est maintenant influencée par les caractéristiques et les politiques des pays voisins. Il n'est pas encore claire pourquoi ni comment les marches électriques devraient s'intégrer. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension des marchés intégrés d'électricité et de leur comportement en fonction des caractéristiques et politiques de chaque pays. Un modèle de simulation est proposé pour étudier les conditions dans lesquelles l'intégration est désirable. Ce modèle est utilisé pour étudier trois cas d'interconnexion entre deux pays. Plusieurs politiques concernant l'expansion et l'opération de l'interconnexion, combinées avec différents mécanismes de rémunération de la capacité, sont évalués. Cette thèse est compose de trois articles. Le premier présente une description détaillée du modèle et une analyse du cas de la Colombie et de l'Equateur. Il montre que le couplage de marchés peut amener des bénéfices importants ; cependant, la différence de taille entre pays peut créer des soucis de dépendance aux importations pour le pays le plus petit. Le second papier compare le cas de la Colombie et l'Equateur avec le cas de la Grande Bretagne et de la France. Ces pays sont très différents en termes de ressources, taille des réservoirs d'accumulation pour l'hydro, complémentarité et croissance de la demande. Nos résultats montrent que la complémentarité joue un rôle essentiel dans l'obtention des bénéfices potentiels de l'intégration, alors qu'un taux élevé de croissance de la demande, ainsi qu'une grande capacité de stockage, mènent à des résultats contre-intuitifs, ce qui complique les décisions des régulateurs. Dans le troisième article, une extension du modèle présenté dans le premier article est utilisée pour analyser le cas de la Finlande et de la Russie. Différentes règles pour les échanges internationaux d'électricité sont considérées. Nos résultats indiquent qu'à un faible niveau d'interconnexion, la situation actuelle, où un marchand unique possède les droits de transmission et limite le flux pendant les heures de pointe, est bénéfique pour la Finlande. Cependant, en cas d'expansion de la capacité d'interconnexion, «market coupling» est préférable. préférable. Dans tous les cas, la Finlande a intérêt à garder une réserve stratégique, car même si cette politique entraine des coûts, elle lui permet de profiter des avantages de l'intégration tout en limitant ca dépendance envers les importations. En général, nous concluons que si les politiques adéquates sont implémentées, l'intégration des marchés électriques peut amener des bénéfices. Cependant, une grande capacité d'interconnexion n'est désirable que si les pays ont une complémentarité importante et il existe une confiance mutuelle. Les résultats des politiques qui cherchent à préserver la sécurité d'approvisionnement au niveau national peuvent être très contre-intuitifs, étant données les interactions entre les pays voisins et leurs effets sur les investissements en génération et en interconnexion. Il est donc très important pour les régulateurs de comprendre ces interactions et de coordonner décisions à fin de pouvoir profiter de l'interconnexion sans mettre en danger la sécurité d'approvisionnement. Mais il faut être conscients que même quand l'intégration amène de bénéfices pour la région, certains participants au marché sont perdants et pourraient essayer de bloquer le processus d'intégration.